再結晶退火在風機主軸軸承保持架中的應用

文／趙培振，鄭世育，鄭廣會，袁錫銘·山東金帝精密機械科技股份有限公司

通過分析風機主軸軸承保持架在沖壓加工過程中材料內(nèi)部晶體變形特點，探索恢復材料晶體組織初始形態(tài)的退火方式。研究沖壓保持架加工后的形變，引入再結晶退火工序，減小了保持架的殘余應力，改善保持架的時效變形，從而達到使風機主軸軸承保持架的沖壓加工尺寸穩(wěn)定和壽命延長的目的。

風力發(fā)電機主軸軸承用保持架

隨著全球降碳腳步的加快，風電行業(yè)迎來了良好的發(fā)展契機。2020 年舉辦的風能大會上簽署的《風能北京宣言》中提出了“十四五”期間保證年均新增裝機5000 萬千瓦以上的發(fā)展目標?？焖侔l(fā)展的風能行業(yè)對風機用軸承保持架有著長期穩(wěn)定的需求，隨著國內(nèi)相關產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展和調整，風電機組正向著更大容量機型發(fā)展。對于大容量風電機組，雙支撐單列圓錐滾子軸承與單支撐雙列圓錐滾子軸承已經(jīng)成為直驅、混合和雙饋型風電機組傳動鏈的主要軸承選型類型。風電機組主軸軸承類型與功率對比見圖1。

圖1 風電機組主軸軸承類型與功率對比

當前應用于風電機組主軸軸承的保持架，多為鋼鍛件機加工制成，由于成本高昂，不符合風電平價化的發(fā)展趨勢。而沖壓工藝加工的特大型圓錐軸承用筐形保持架，由于熱軋中厚鋼板的各向異性較大，以及拉深過程的加工硬化等因素，保持架內(nèi)部存在較嚴重的殘余應力。隨著應力釋放，保持架的尺寸精度也會發(fā)生變化，給軸承的高壽命、可靠性等要求帶來了較大的挑戰(zhàn)。

晶體及變形分析

拉深過程中的變形分析

用于風機主軸軸承的保持架直徑多在1 米以上，沖壓加工工藝只能采用熱軋鋼板生產(chǎn)。兼顧原材料的沖壓加工性能及保持架的強度，驗證過程中所使用材料為SAE 1010，該材料為寶鋼依據(jù)國際汽車工程師協(xié)會標準SAE J403 生產(chǎn)，相當于國標10#鋼。SAE 1010 板材的化學成分及力學性能見表1，保持架材料厚度為9.5mm，大端外徑為1.2 米。

表1 化學成分及力學性能

在拉深過程中，板材各部位的應力應變狀態(tài)不一致。在保持架側壁，材料在徑向拉應力及切向壓應力的作用下會產(chǎn)生徑向伸長和切向壓縮變形；在小端圓角部位，材料承受拉應力，并且受到凸模的壓力和彎曲作用，在拉、壓應力作用下，這部分的材料變薄較大；由于產(chǎn)生了較大的塑性變形，引起了冷作硬化，由上向下越接近底部的硬化越小、硬度越低，這也是危險裂紋靠近底部的原因。

沖窗孔后的晶體狀態(tài)

沖裁是利用模具壓力使材料產(chǎn)生分離的過程，因此必然從彈性變形、塑性變形開始，以斷裂終止。在塑性變形階段，凸模和凹模刃口兩側的材料產(chǎn)生塑性剪切，同時兩側鐵素體組織產(chǎn)生拉伸變長和彎曲變形，尤其在窗孔4 個R 角區(qū)域，鐵素體被拉長(圖2)，因此窗孔R 角處為應力集中及保持架失效的常見部位。

圖2 沖裁后窗孔R 角處鐵素體狀態(tài)

保持架成品切斷后宏觀變形狀態(tài)

由于拉深過程中的冷作硬化及沖裁過程中晶體組織局部拉伸變形，保持架內(nèi)部產(chǎn)生了較嚴重的殘余應力。殘余應力將影響保持架的疲勞強度、抗應力作用能力和形狀尺寸穩(wěn)定性。將保持架沿軸向切斷，可見保持架由于應力釋放產(chǎn)生嚴重的扭曲變形(圖3)。分別測量斷口兩側軸向和徑向偏差(表2)，從變形形式上看，內(nèi)部應力使保持架有徑向脹大和軸向變形的趨勢，這也是造成沖壓加工保持架圓度及平面度不良的主要原因。

圖3 切斷后保持架變形狀態(tài)

表2 切斷后軸向、徑向偏差

保持架成品抗拉強度分析

保持架經(jīng)過拉深、沖孔及壓坡等工序之后，會產(chǎn)生較大的冷作硬化現(xiàn)象。為此就保持架各部位的抗拉強度進行了拉拔試驗，拉拔部位如圖4 所示。

圖4 拉拔試驗位置

從試驗數(shù)據(jù)(表3)上看，保持架經(jīng)過沖壓加工后的抗拉強度明顯增加，位置2 抗拉強度明顯高于位置1；保持架內(nèi)部不均勻的抗拉強度也會導致保持架內(nèi)應力分布不均勻，從而產(chǎn)生形變。

表3 保持架拉拔試驗數(shù)據(jù)

再結晶退火的應用

再結晶退火工序及參數(shù)

在沖壓加工過程中，每進行一次沖壓都會產(chǎn)生變形，為了能保證再結晶退火后不需要再有沖壓工序，將再結晶退火工序設定在壓坡工序后。再結晶退火的目的為恢復材料晶體組織原始形態(tài)，減少保持架成品的殘余應力，因此把再結晶退火的參數(shù)設定為加熱溫度635℃，保溫30 分鐘，隨爐冷卻至230℃，出爐空冷至室溫；為了減少退火過程中保持架表面產(chǎn)生過多氧化皮，進行了保護氣體退火；為了進一步提高保持架的表面質量，消除殘余應力，最終還采用了表面拋丸處理，不銹鋼丸顆粒大小為0.2mm。

再結晶退火后晶體狀態(tài)

經(jīng)過再結晶退火后，保持架內(nèi)部晶體基本恢復至原材料原始晶體狀態(tài)(圖5)，無明顯粗大或被拉長的晶體，達到了原設定目標。

圖5 再結晶退火后晶體狀態(tài)

切斷后變形狀態(tài)

將再結晶退火后的保持架沿軸向切斷，觀察切斷之后保持架的變形狀態(tài)。切斷之后保持架徑向與軸向都無明顯錯位現(xiàn)象，斷口處開口寬度與鋸條的寬度基本等同，無脹大現(xiàn)象(圖6)。分別測量斷口兩側軸向和徑向偏差，無明顯差異，偏差值見表4。

圖6 切斷后無明顯錯位

表4 退火切斷后軸向、徑向偏差

從切斷后的變形量數(shù)據(jù)上看，保持架再結晶退火后變形較小，已基本消除了內(nèi)部殘余應力。保證保持架長期使用過程中，不會因殘余應力釋放影響尺寸的穩(wěn)定性，達到了采用鍛件機加工保持架的同等效果。

退火后抗拉強度

對退火后的保持架做拉拔試驗，測試位置和退火前一致，拉拔試驗數(shù)據(jù)見表5。保持架經(jīng)退火后，減輕了加工硬化問題，通過細化晶粒使得保持架各部位抗拉強度較為均勻，減輕了保持架應力集中現(xiàn)象。

表5 退火后拉拔試驗數(shù)據(jù)

結束語

風機主軸軸承用大型圓錐軸承筐形保持架的直徑多在一米以上，在沖壓加工過程中會產(chǎn)生較嚴重的殘余應力，通過再結晶退火可有效減少殘余應力。相較于不進行再結晶退火的保持架，切斷之后再結晶退火的保持架軸向偏差減小了約79%，徑向偏差縮小了約94%；保持架內(nèi)部晶體組織無明顯粗大、拉長等現(xiàn)象，已基本恢復至材料原始狀態(tài)。再結晶退火在風機主軸軸承用保持架中的成功應用，使得沖壓加工保持架可替代傳統(tǒng)鍛件車制加工的保持架，且大幅度降低了保持架的生產(chǎn)成本，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟效益，同時也可以為風電平價化助一臂之力。